【Java从入门到大牛】网络编程

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💖 系列专栏：Java从入门到大牛
🌠 首发时间：2023年11月23日
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网络编程
- 基本的通信架构
网络通信三要素
- IP地址
- 端口号
- 协议
UDP通信-快速入门
UDP通信-多发多收
TCP通信-快速入门
TCP通信-多发多收
TCP通信-支持与多个客户端同时通信
TCP通信-综合案例
- 即时通信-群聊
- 实现一个简易版的BS架构
- 改进

网络编程

什么是网络编程？

可以让设备中的程序与网络上的其他设备中的程序进行数据交互，也就是实现网络通信

Java的 java.net.* 包下提供了网络编程的解决方案

基本的通信架构

基本的通信架构有两种形式：CS架构（Client客户端/Server服务端）、BS架构（Brower浏览器/Server服务端）

在这里插入图片描述

无论是CS架构，还是BS架构的软件都必须依赖网络编程

网络通信三要素

在这里插入图片描述

IP地址

IP（Internet Protocol）：全称 “互联网协议地址”，是分配给上网设备的唯一标志
IP地址有两种形式：IPv4、IPv6

IPv4
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IPv6

IPv6：共128位，号称可以为地球每一粒沙子编号
IPv6分成8段表示，每段每四位编码成一个十六进制位表示，数之间用冒号分开

在这里插入图片描述

IP域名

由于IP地址比较难记住，所以有了IP域名，例如 www.baidu.com 等等

公网IP，内网IP

公网IP，是可以连接互联网的IP地址；内网IP，也叫局域网IP，只能组织机构内部使用
192.168. 开头的就是常见的局域网地址，范围即为 192.168.0.0-192.168.255.255，专门为组织机构内部使用

特殊IP地址

127.0.0.1、localhost：代表本机IP，只会寻找当前所在的主机

IP常用命令

ipconfig：查看本机IP地址
ping IP地址：检查网络是否连通

InetAddress

代表IP地址

InetAddress的常用方法如下
在这里插入图片描述

应用

import java.net.InetAddress;/*** 目标：掌握InetAddress类的使用*/
public class InetAddressTest {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、获取本机IP地址对象的InetAddress ip1 = InetAddress.getLocalHost();System.out.println(ip1.getHostName());System.out.println(ip1.getHostAddress());// 2、获取指定IP或者域名的IP地址对象。InetAddress ip2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");System.out.println(ip2.getHostName());System.out.println(ip2.getHostAddress());// ping www.baidu.comSystem.out.println(ip2.isReachable(6000));}
}

端口号

端口

标记正在计算机设备上运行的应用程序的，被规定为一个16位的二进制，范围是0~65535

分类

周知端口：0~1023，被预先定义的知名应用占用，如HTTP占用80，FTP占用21
注册端口：1024~49151，分配给用户进程或某些应用程序
动态端口：49152~65535，之所以被称为动态端口，是因为它一般不固定分配某种进程，而是动态分配

注意：我们自己开发的程序一般选择使用注册端口，且一个设备中不能出现两个程序的端口号一样，否则会出错

协议

通信协议

网络上通信的设备，事先规定的连接规则，以及传输数据的规则被称为网络通信协议

开放式网络互联标准：OSI网络参考模型

OSI网络参考模型：全球网络互联标准
TCP/IP网络模型：事实上的国际标准

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传输层的两个通信协议

UDP (User Datagram Protocol)：用户数据报协议； TCP (Transmission Control Protocol) ：传输控制协议

UDP协议

特点：无连接、不可靠通信，通信效率高，通常用于语音通话、视频直播等
不事先建立连接，数据按照包发，一包数据包含：自己的IP、程序端口，目的地IP、程序端口和数据（限制在64KB内）等
发送方不管对方是否在线，数据在中间丢失也不管，如果接收方收到数据也不返回确认，故是不可靠的

TCP协议

特点：面向连接、可靠通信，通信效率相对不高，通常用于网页、文件下载、支付等
TCP的最终目的：要保证在不可靠的信道上实现可靠的传输
TCP主要有三个步骤实现可靠传输：三次握手建立连接，传输数据进行确认，四次挥手断开连接

TCP协议：三次握手建立可靠连接

可靠连接：确定通信双方，收发消息都是正常无问题的！（全双工）

在这里插入图片描述

TCP协议：四次挥手断开连接

目的：确保双方数据的收发都已经完成

UDP通信-快速入门

Java提供了一个 java.net.DatagramSocket 类来实现UDP通信

DatagramSocket: 用于创建客户端、服务端

在这里插入图片描述

DatagramPacket：创建数据包
在这里插入图片描述

实战：使用UDP通信实现发送消息、接收消息

Client.java

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;/*** 目标：完成UDP通信快速入门：实现1发1收。*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建客户端对象DatagramSocket socket = new DatagramSocket();// 2、创建数据包对象封装要发出去的数据byte[] bytes = "我是快乐的客户端，我爱你abc".getBytes();DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getLocalHost(),  6666);// 3、开始正式发送这个数据包的数据出去了socket.send(packet);System.out.println("客户端数据发送完毕~~~");socket.close(); // 释放资源！}
}

Server.java

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;/*** 目标：完成UDP通信快速入门-服务端开发*/
public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("----服务端启动----");// 1、创建一个服务端对象,注册端口DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);// 2、创建一个数据包对象，用于接收数据的byte[] buffer = new byte[1024 * 64]; // 64KB.DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);// 3、开始正式使用数据包来接收客户端发来的数据socket.receive(packet);// 4、从字节数组中，把接收到的数据直接打印出来// 接收多少就倒出多少// 获取本次数据包接收了多少数据int len = packet.getLength();String rs = new String(buffer, 0 , len);System.out.println(rs);System.out.println(packet.getAddress().getHostAddress());System.out.println(packet.getPort());socket.close(); // 释放资源}
}

先启动服务端，再启动客户端

在这里插入图片描述

UDP通信-多发多收

客户端可以反复发送数据

创建DatagramSocket对象（发送端对象）
使用while死循环不断的接收用户的数据输入，如果用户输入的exit则退出程序
如果用户输入的不是exit, 把数据封装成DatagramPacket
使用DatagramSocket对象的send方法将数据包对象进行发送
释放资源

接收端可以反复接收数据

创建DatagramSocket对象并指定端口（接收端对象）
创建DatagramPacket对象接收数据（数据包对象）
使用DatagramSocket对象的receive方法传入DatagramPacket对象
使用while死循环不断的进行第3步

Client.java

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Scanner;/*** 目标：完成UDP通信快速入门：实现客户端反复的发*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建客户端对象DatagramSocket socket = new DatagramSocket();// 2、创建数据包对象封装要发出去的数据Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("请说：");String msg = sc.nextLine();// 一旦发现用户输入的exit命令，就退出客户端if("exit".equals(msg)){System.out.println("欢迎下次光临！退出成功！");socket.close(); // 释放资源break; // 跳出死循环}byte[] bytes = msg.getBytes();DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getLocalHost(),  6666);// 3、开始正式发送这个数据包的数据出去了socket.send(packet);}}
}

Server.java

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;/*** 目标：完成UDP通信快速入门-服务端反复的收*/
public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("----服务端启动----");// 1、创建一个服务端对象DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);// 2、创建一个数据包对象，用于接收数据的byte[] buffer = new byte[1024 * 64]; // 64KB.DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);while (true) {// 3、开始正式使用数据包来接收客户端发来的数据socket.receive(packet);// 4、从字节数组中，把接收到的数据直接打印出来// 接收多少就倒出多少// 获取本次数据包接收了多少数据int len = packet.getLength();String rs = new String(buffer, 0 , len);System.out.println(rs);System.out.println(packet.getAddress().getHostAddress());System.out.println(packet.getPort());System.out.println("--------------------------------------");}}
}

在这里插入图片描述

在这个基础上，我们还可以实现多个客户端同时向服务端发送消息

首先，我们需要在IDEA里面修改一下客户端这个程序的配置，让它可以同时运行多个客户端，具体步骤如下

1、在IDEA右上角找到这个，点击进入

在这里插入图片描述

2、如图操作，注意是客户端

在这里插入图片描述

3、多次执行 Client.java 这个程序，我们就可以得到多个客户端

在这里插入图片描述

TCP通信-快速入门

Java提供了一个 java.net.Socket 类来实现TCP通信

在这里插入图片描述

TCP通信之客户端开发

客户端程序就是通过java.net包下的Socket类来实现的

客户端发送消息

创建客户端的Socket对象，请求与服务端的连接
使用socket对象调用getOutputStream()方法得到字节输出流
使用字节输出流完成数据的发送
释放资源：关闭socket管道

Client.java

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;/***  目标：完成TCP通信快速入门-客户端开发：实现1发1收*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket对象，并同时请求与服务端程序的连接Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流，用来发数据给服务端程序OutputStream os = socket.getOutputStream();// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);// 4、开始写数据出去了dos.writeUTF("在一起，好吗？");dos.close();socket.close(); // 释放连接资源}
}

TCP通信之服务端程序的开发

服务端是通过java.net包下的ServerSocket类来实现的

在这里插入图片描述

服务端接收消息

创建ServerSocket对象，注册服务端端口
调用ServerSocket对象的accept()方法，等待客户端的连接，并得到Socket管道对象
通过Socket对象调用getInputStream()方法得到字节输入流、完成数据的接收
释放资源：关闭socket管道

Server.java

import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/***  目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：实现1发1收*/
public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();// 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流InputStream is = socket.getInputStream();// 4、把原始的字节输入流包装成数据输入流DataInputStream dis = new DataInputStream(is);// 5、使用数据输入流读取客户端发送过来的消息String rs = dis.readUTF();System.out.println(rs);// 其实我们也可以获取客户端的IP地址System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress());dis.close();socket.close();}
}

在这里插入图片描述

TCP通信-多发多收

使用TCP通信实现：多发多收消息

客户端使用死循环，让用户不断输入消息
服务端也使用死循环，控制服务端收完消息，继续等待接收下一个消息

Client.java

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;/***  目标：完成TCP通信快速入门-客户端开发：实现客户端可以反复的发消息出去*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket对象，并同时请求与服务端程序的连接。Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流，用来发数据给服务端程序OutputStream os = socket.getOutputStream();// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("请说：");String msg = sc.nextLine();// 一旦用户输入了exit，就退出客户端程序if("exit".equals(msg)){System.out.println("欢迎您下次光临！退出成功！");dos.close();socket.close();break;}// 4、开始写数据出去了dos.writeUTF(msg);dos.flush();}}
}

Server.java

import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/***  目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：实现服务端反复发消息*/
public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();// 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流InputStream is = socket.getInputStream();// 4、把原始的字节输入流包装成数据输入流DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true) {try {// 5、使用数据输入流读取客户端发送过来的消息String rs = dis.readUTF();System.out.println(rs);} catch (Exception e) {System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "离线了！");dis.close();socket.close();break;}}}
}

在这里插入图片描述

TCP通信-支持与多个客户端同时通信

如果我们像刚才UDP通信那样，同时启动多个客户端，你会发现服务端只能接收到一个客户端发送的消息，那么我们该如何实现服务端与多个客户端同时通信呢

目前我们开发的服务端程序，是不可以与多个客户端同时通信的，因为服务端只有一个主线程，只能处理一个客户端的消息

Client.java 不变

添加一个 ServerReaderThread 线程类，每个线程处理一个客户端

import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;public class ServerReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {InputStream is = socket.getInputStream();DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true){try {String msg = dis.readUTF();System.out.println(msg);} catch (Exception e) {System.out.println("有人下线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());dis.close();socket.close();break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

Server.java

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/***  目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信*/
public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);while (true) {// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("有人上线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理new ServerReaderThread(socket).start();}}
}

在这里插入图片描述

TCP通信-综合案例

即时通信-群聊

什么是群聊？怎么实现？

是指一个客户端把消息发出去，其他在线的全部客户端都可以收到消息
需要用到端口转发的设计思想
服务端需要把在线的Socket管道存起来，一旦收到一个消息要推送给其他管道

TCP通信-端口转发

在这里插入图片描述

代码实现

改进 Client.java

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;/***  目标：完成TCP通信快速入门-客户端开发：实现客户端可以反复的发消息出去*/
public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、创建Socket对象，并同时请求与服务端程序的连接。Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);// 改进：创建一个独立的线程，负责随机从socket中接收服务端发送过来的消息new ClentReaderThread(socket).start();// 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流，用来发数据给服务端程序OutputStream os = socket.getOutputStream();// 3、把低级的字节输出流包装成数据输出流DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);Scanner sc = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("请说：");String msg = sc.nextLine();// 一旦用户输入了exit，就退出客户端程序if("exit".equals(msg)){System.out.println("欢迎您下次光临！退出成功！");dos.close();socket.close();break;}// 4、开始写数据出去了dos.writeUTF(msg);dos.flush();}}
}

添加 ClientReaderThread.java

import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;// 该线程不停接收服务端转发过来的消息并打印，相当于收到群聊里别人的信息
// 思路和服务端接收消息差不多
public class ClentReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ClentReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {InputStream is = socket.getInputStream();DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true){try {String msg = dis.readUTF();System.out.println(msg);} catch (Exception e) {System.out.println("自己下线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());dis.close();socket.close();break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

改进 Server.java

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/***  目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信*/
public class Server {// 改进：添加一个集合保存在线的所有客户端，便于转发消息public static List<Socket> onLineSockets = new ArrayList<>();public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);while (true) {// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();onLineSockets.add(socket);      // 有客户端上线就添加System.out.println("有人上线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理。new ServerReaderThread(socket).start();}}
}

改进 ServerReaderThread.java

import java.io.*;
import java.net.Socket;public class ServerReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {InputStream is = socket.getInputStream();DataInputStream dis = new DataInputStream(is);while (true){try {String msg = dis.readUTF();System.out.println(msg);// 把这个消息分发给全部客户端进行接收。sendMsgToAll(msg);} catch (Exception e) {System.out.println("有人下线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());Server.onLineSockets.remove(socket);    // 客户端下线就删除dis.close();socket.close();break;}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}// 添加消息转发方法private void sendMsgToAll(String msg) throws IOException {// 发送给全部在线的socket管道接收。for (Socket onLineSocket : Server.onLineSockets) {OutputStream os = onLineSocket.getOutputStream();DataOutputStream dos = new DataOutputStream(os);dos.writeUTF(msg);dos.flush();}}
}

实现一个简易版的BS架构

需求描述

要求从浏览器中访问服务器，并立即让服务器响应一个很简单的网页给浏览器展示

BS架构的基本原理

BS架构的客户端就是浏览器，客户从浏览器访问服务器的方法就是通过网址来访问，一般的格式是 http://服务器IP:服务器端口

在这里插入图片描述

注意：服务器必须给浏览器响应HTTP协议规定的数据格式，否则浏览器不会识别返回的数据，也就是说，服务端返回数据不能还是用以前那种打印语句直接打印

HTTP协议规定：响应给浏览器的数据格式必须满足如下格式

在这里插入图片描述

需求实现

Server.java，和前面的一样

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/***  目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信。*/
public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口。ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);while (true) {// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("有人上线了：" + socket.getRemoteSocketAddress());// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理。new ServerReaderThread(socket).start();}}
}

改进 ServerReaderThread.java

import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;public class ServerReaderThread extends Thread{private Socket socket;public ServerReaderThread(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {//  立即响应一个网页内容给浏览器展示。try {OutputStream os = socket.getOutputStream();PrintStream ps = new PrintStream(os);ps.println("HTTP/1.1 200 OK");ps.println("Content-Type:text/html;charset=UTF-8");ps.println(); // 必须换行ps.println("<div style='color:blue;font-size:120px;text-align:center'>66666666666<div>");// 访问完就要关闭ps.close();socket.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

效果

随便打开一个浏览器，输入网址 127.0.0.1:8080 回车即可，其中 127.0.0.1 代表本机IP，8080 是我们在服务端指定的端口

在这里插入图片描述

改进

在上面的程序中，客户端的每次请求都会开一个新的线程，这样做好不好呢？

其实是不好的，当访问人数特别多时，也就是高并发时，就会很容易宕机

很明显，我们都知道要使用线程池来进行优化

在这里插入图片描述

优化后的代码

Server.java

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;/***  目标：完成TCP通信快速入门-服务端开发：要求实现与多个客户端同时通信。*/
public class Server {public static void main(String[] args) throws Exception {System.out.println("-----服务端启动成功-------");// 1、创建ServerSocket的对象，同时为服务端注册端口ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);// 创建出一个线程池，负责处理通信管道的任务ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(16 * 2, 16 * 2, 0, TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<>(8), Executors.defaultThreadFactory(),new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());while (true) {// 2、使用serverSocket对象，调用一个accept方法，等待客户端的连接请求Socket socket = serverSocket.accept();// 3、把这个客户端对应的socket通信管道，交给一个独立的线程负责处理pool.execute(new ServerReaderRunnable(socket));}}
}

ServerReaderRunnable.java

import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;public class ServerReaderRunnable implements Runnable{private Socket socket;public ServerReaderRunnable(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {//  立即响应一个网页内容给浏览器展示try {OutputStream os = socket.getOutputStream();PrintStream ps = new PrintStream(os);ps.println("HTTP/1.1 200 OK");ps.println("Content-Type:text/html;charset=UTF-8");ps.println(); // 必须换行ps.println("<div style='color:red;font-size:120px;text-align:center'>88888<div>");ps.close();socket.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}